Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział Wojskowo-Lekarski

Laboratorium z Biofizyki

Badanie dyfrakcji światła laserowego

Część teoretyczna

Fale elektromagnetyczne-przegląd widma

W przyrodzie występuje szerokie spektrum fal elektromagnetycznych. Jednak na podstawie równań Maxwella wiadomo, ze wszystkie te fale maja jednakową naturę, a różnią się jedynie długością i częstotliwością.

• B - fale radiowe - zakres ten obejmuje fale elektromagnetyczne o długościach od kilku milimetrów do setek kilometrów

• C - mikrofale - o długościach od 1 milimetra do 30 centymetrów

• D - podczerwień - to promieniowanie o długościach fali od 760 nanometrów do 2000 mikrometrów. Obszar ten dodatkowo dzieli się na trzy rejony: podczerwień bliską, średnią podczerwień i daleką podczerwień

• E - światło widzialne - zakres promieniowania elektromagnetycznego, które wywołuje w oku ludzkim wrażenie widzenia.. Są to fale z zakresu od 380 do 780 nanometrów

• F - ultrafiolet - zakres ten obejmuje promieniowanie elektromagnetyczne o długościach krótszych niż światło widzialne. Są to fale z przedziału od 390 do 10 nanometrów. Fale dłuższe, do około 190 nanometrów to ultrafiolet bliski, a fale krótsze to ultrafiolet daleki

• G - promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X) - fale z zakresu 12 - 0.012 nanometrów. Dodatkowo obszar ten podzielono na promieniowanie X miękkie i twarde. Promieniami miękkimi nazywa się te , które mają najmniejsze energie. Natomiast promienie twarde to te o energii większe

• H - promieniowanie gamma - obejmuje fale z zakresu długości
  metra. Są to wiec fale najkrótsze. Energie fotonów gamma zawierają się z kolei w przedziale od 10 MeV do 10 KeV

• I - widmo światła widzialnego

• A-fale akustyczne słyszalne dla ludzkiego ucha, NIE będące falami elektromagnetycznymi, ale umieszczone dla porównania

Promieniowanie niejonizujące.

Promieniowanie jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Promieniowanie dzieli się na dwie zasadnicze grupy: jonizujące oraz niejonizujące.

Promieniowanie niejonizujące to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego(fali elektromagnetycznej), które nie wywołuje jonizacji ośrodka, przez który przechodzi. Podział ten związany jest także z rodzajami oddziaływań na zdrowie ludzi i zwierząt w obszarze występowania tego rodzaju promieniowania. Granica pomiędzy promieniowaniem jonizującym a niejonizującym przyjęta została na granicy widma światła widzialnego i ultrafioletu (zakres UV-A). Czyli fala elektromagnetyczna o częstotliwości mniejszej od 8x1014 Hz to promieniowanie niejonizujące, a o częstotliwości większej, to promieniowanie jonizujące.

Laser

Nazwa utworzona od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Jest to generator światła, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej (zachodzi jeżeli atom znajduje się w stanie wzbudzonym, pod wpływem padającego na niego fotonu o odpowiedniej, rezonansowej energii przechodzi na niższy poziom energetyczny emitując swój własny foton). Promieniowanie laserowe jest promieniowaniem optycznym, czyli falą elektromagnetyczną, która niesie ze sobą energię. Laser musi zawierać materiał aktywny (ośrodek wzmacniający), źródło wzbudzenia (układ pompujący) i obszar umożliwiający wzmocnienie - rezonator optyczny. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. Otrzymywane światło ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł światła, mianowicie: bardzo małą szerokość linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym obszarze widma, spolaryzowanie wiązki światła, spójność wiązki w czasie i przestrzeni, monochromatyczność, bardzo małą rozbieżność.

Typy laserów uzywanych w medycynie

Typy laserów (podział ze względu na materiał aktywny):

• Lasery gazowe

• Laser molekularny CO2

• Laser argonowy

• Lasery helowo-neonowe

• Lasery cieczowe

• Lasery na ciele stałym

• Lasery na krysztale granitu itrowo-aluminiowego(YAG)

• Laser neodymowy

• Lasery półprzewodnikowe

Oraz ze względu na zastosowanie w medycynie:

1. Wysokoenergetyczne czyli chirurgiczne są wykorzystywane w zestawach przeznaczonych do destrukcji lub usuwania tkanki (cięcie, odparowanie, koagulacja).

2. Niskoenergetyczne(biostymulujące) nie wykorzystują termicznego oddziaływania (podgrzewania). Są one używane w terapii bólu, medycynie sportowej, dermatologii, reumatologii, stomatologii, a także w diagnostyce i terapii nowotworów metodą fotodynamiczną.

Wpływ promieniowania laserowego na tkanki. Zastosowanie w terapii i diagnostyce

Promienie lasera działając na tkankę ulegają odbiciu, pochłanianiu (absorpcji) i rozproszeniu. Około 5% promieniowania odbija się od powierzchni tkanki, podczas gdy reszta dociera do niej i ulega procesom wielokrotnego odbicia i rozproszenia. Owa pochłonięta część energii świetlnej zostaje przekształcona w ciepło podnosząc temperaturę tkanki. Głębokość wnikania jest uzależniona od długości fali promieniowania laserowego.

W zależności od czasu działania i mocy promienia laserowego na tkankę wyróżniamy następujące typy oddziaływania :

• fotochemiczny

• termiczny

• fotoablacyjne

• elektromechaniczny

Lasery biostymulujące - używane są w leczeniu uszkodzeń skóry, przy zabiegach chirurgii plastycznej. Często wykorzystuje się promienie laserowe w leczeniu : reumatoidalnego zapalenia stawów itp.

• Chirurgia laserowy skalpel z laserem Nd:YAG.

• Mikrochirurgia oka laser holmowy.

• Stomatologia bezbolesne leczenia zębów.

• Mammografy laserowe, gdzie stosuje się nieinwazyjne promieniowanie przenikające głęboko przez tkankę.

Dyfrakcja, interferencja, siatka dyfrakcyjna

Interferencja-jest to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale. W ośrodkach nieliniowych oprócz interferencji zachodzą też inne zjawiska wywołane nakładaniem się fal, w ośrodkach liniowych fale ulegając interferencji spełniają zasadę superpozycji.

Siatką dyfrakcyjną nazywamy układ wielu równoległych i równoodległych szczelin (płytka szklana, zarysowana równoległymi liniami w ilości przynajmniej kilkuset na 1mm). Promienie światłą ugięte na siatce dyfrakcyjnej interferują ze sobą, dając na ekranie ciemne i jasne prążki interferencyjne ( w zależności od fazy w jakiej się spotkają). Jasny prążek na środku ekranu nazywany jest zerowym. Kolejne prążki po obu jego stronach nazywa się odpowiednio prążkami pierwszego i drugiego rzędu itd.

Dyfrakcja światła polega na odchyleniu kierunku rozchodzenia się światła od kierunku pierwotnego, jeśli przechodzi ono przez niewielkie otwory lub szczeliny oraz kiedy natrafia na przeszkody. Efektem ugięcia się światła jest obraz przedstawiający układ jasnych i ciemnych prążków. Szczególnie wyraźne zjawisko dyfrakcji można zaobserwować przy przejściu światła przez siatkę dyfrakcyjną.

Prążki jasne powstają dla kątów α spełniających warunek:

d sinα= n λ

gdzie:

n - 1,2,3 .. rząd widma,

d - stała siatki dyfrakcyjnej,

λ - długość fali (światło laserowe He-Ne - 632,8nm),

α - kąt ugięcia.

Część praktyczna

Schemat układu

-kąt ugięcia

S_1L, S_1P, S_2L, S_2P- odległości prążków I i II rzędu na prawo (P) i lewo (L) od prążka rzędu zerowego

L-odległość siatki dyfrakcyjnej od ekranu

Tabela

Lp.	L[cm]	S1L[cm]	S1P[cm]	S1=(S1L+S1P)/2	Sin α	d1[nm]	S2L[cm]	S2P[cm]	S2=(S2L+S2P)/2	Sin α	d2[nm]
1	10	1,3	1,3	1,3	0,128915	4908,661	2,55	2,6	2,575	0,249365	5075,291
2	15	1,85	1,9	1,875	0,124035	5101,786	3,8	3,95	3,875	0,250122	5059,931
3	20	2,55	2,65	2,6	0,128915	4908,661	5,2	5,35	5,275	0,255029	4962,573
4	21	2,65	2,75	2,7	0,127522	4962,281	5,45	5,60	5,555	0,254437	4974,119
5	25	3,2	3,15	3,175	0,125988	5022,701	6,5	6,60	6,55	0,253446	4993,569
6	30	3,9	3,9	3,9	0,128915	4908,651	8,8	8,95	8,875	0,28368	4461,365
7	36	4,55	4,6	4,575	0,126069	5019,473	9,5	9,55	9,425	0,255782	4947,964
8	44	5,6	5,65	5,625	0,126809	4990,182	11,4	11,8	11,6	0,254926	4964,578
9	46	5,85	5,9	5,875	0,126688	4994,948	11,85	12,3	12,075	0,253898	4984,679
10	48	6,05	6,2	6,125	0,126578	4999,289	12,35	12,9	12,625	0,254369	4975,449

Wartości średnie d_śr w oparciu o wszystkie wyniki pomiarów z odrzuceniem skrajnych

d_{1 śr} = 4975,774 nm

d_{2 śr} = 4982,858 nm

Przedział ufności dla d_śr

Wnioski

Stała siatki dyfrakcyjnej wynosi:

• na podstawie pomiarów prążków rzędu I: 4975,774 nm (wartość średnia)

• na podstawie pomiarów prążków rzędu II: 4982,858 nm (wartość średnia)

Mogły wystąpić błędy pomiarowe na skutek:

- subiektywności oceny odległości

- ograniczone możliwości ludzkiego oka

6

---